诠解单片机铃声控制系统设计

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摘要：介绍一种以单片机为核心的铃声自动控制系统。该系统由单片机AT89C51和时钟芯片PCF8583组成，通过RS-485串口通信连接主机和各响铃从机，可完成时间的修改和定时响铃等功能。

关键词：单片机、时钟、RS-485通信

1引言

当今社会，计算机的应用已经渗透到人们生产、生活的各个领域。尤其是以单片机为代表的微型计算机的应用最为广泛，它们凭借其体积小、价格低、功能强、性价比高等优点，占有了计算机应用领域的半壁江山。本文笔者以单片微型计算机为核心，同时运用RS-485远程通信协议，设计出一款铃声控制系统，克服了以往打铃钟定时不准确，电路复杂，可靠性低，成本高等缺点，使用户可以随时对任意一点的铃声时刻进行修改和设定，而不影响走时，并且可以方便可靠的实现分布式远程控制。该铃声控制系统可以广泛的适用于学校、工厂、车站等不同场合的实时报时控制。

2系统简介

铃声控制系统整体由两部分组成：主控中心和终端电铃。主控中心以单片机为核心，包括控制电路、显示电路、监控电路和远程通信部分电路。用户可以通过控制电路操作主控中心，对远程电铃进行控制。终端电铃为响应控制设备，通过其自身的控制系统可以获得清晰、响亮的声响，另外还可以实现不同的时刻发出的铃声不同。同时主控中心和终端电铃都具有掉电保护的功能，极大的提高了整个系统的稳定性和可靠性，它们之间通过RS-485异步串行通信完成远程（1200米）数据交换。系统整体框图如图1所示。

3系统设计

主机硬件设计

主机作为整个系统的主控中心按系统要求需要完成的功能有：实时时钟的产生、用户控制输入、各类信息的显示、数据的存取以及远程通信。其主要包括：MCU，时钟产生模块，控制输入模块，数据存储模块及通信模块的选用。

3.1.1MCU的选用

按系统要求及现实条件，该系统选用的MCU是ATMEL公司的89C51，在实际设计中89C51主要完成智能化的控制、显示和通信等功能。

3.1.2时钟的产生

本系统采用外接时钟芯片(选用PCF8583时钟芯片)，这样单片机对其控制就可以以获得稳定的时钟输出。

3.1.3键盘及显示电路

针对功能要求，本系统采用的是矩阵式键盘和普通的数码管显示电路。矩阵式键盘共设置了16个按键，由4*4矩阵式自制键盘构成，包括0到9十个数字键，以及6个功能键。

3.1.4数据存储

考虑到节省口线、稳定性等方面，本系统采用串行数据传输存储器。其容量计算如下：若以打铃次数较多的校园为例，每天按12节课计算，每节课打铃2次，再加上起床和熄灯的次数，打铃大约在30次左右。每次打铃的信息格式如图2。这样每个信息单元占8个字节，存储时均按照非压缩型BCD码存储，则需要存储空间大约在240个字节左右，选用256字节的存储器就能够满足容量的要求，故采用了ATMEL公司的24C02。根据硬件电路的设计可得24C02的I2C硬件地址为：0A2H/0A3H。

3.1.5监控电路

为保证系统的可靠性，本系统采用了看门狗芯片X5045，可直接与许多通用的微控制器的同步串行外设接口（SPI）连接。

3.1.6通信模块

按中远距离（1200米）通信要求，本系统采用异步串行通信的方式。从距离及稳定性方面考虑，本系统选用平衡传输方式的串行接口标准RS-485作为通信标准,在具体设计中，采用的通信接口芯片是MAX485。

从机作为整个控制中心的响应设备，主要完成的功能有：主机命令的接收、应答和响铃的控制。整个从机电路是以AT89C2051微处理器为核心，连接响铃控制电路。其电路连接如图所示。

3.3电源模块

在设计中根据系统要求(当突然断电时，系统整体仍能持续运行)选用了一个较大的电解电容,断电时其所放电量可以保证单片机及其外围器件（PCF8583、X5045、24C02）正常工作。但在实际测试过程中，如果还需对显示模块供电，则单片机就会由于电力不足而复位。为了解决以上问题，可以在显示供电部分的硬件电路中添加一个二极管，如图4所示，通过它的单向导电性来保证单片机系统

在突然断电时能够持续的工作。

4软件设计

该铃声控制系统的软件设计分为主机软件设计和从机软件设计。对于整个软件系统设计而言，系统监控程序的设计是关键，是单片机系统程序的框架。因此本系统主、从机软件设计都采用了一般结构模式，并综合考虑系统的结构合理性及运行稳定性，主机系统采用了状态顺序编码、监控模块在中断子程序中的设计风格，但鉴于该系统状态单一性，从机系统并未采用状态编码方式，而是由主程序和串口中断子程序构成。

4.1主机软件设计

主机软件设计主要由自检和初始化主程序、定时/计数器T0中断服务程序，以及键盘扫描、显示、状态获得、串口中断和延时等子程序构成。它实现了对硬件设备的检测、整个系统运行中的调度和实时监控以及对硬件和软件的初始化。

4.1.1主程序设计

系统通电复位后，程序随即进入主程序，完成对系统的自检。接着对系统进行正常的初始化，包括硬件和软件初始化。初始化结束，主程序进入等待方式。流程如图5所示。

系统自检包括按键、显示检测、时钟芯片PCF8583检测和E2PROM芯片24C02数据区检测。（1）按键、显示检测：检测前数码管处于全灭状态，随即显示提示输入按键（P）。若按下任意键，数码管显示该按键值，一秒后数码管全灭退出检测。按键功能与键值定义如下：数字键0-9，功能键A-F（A-修改时钟，B-修改时间表，C-通信检测，D-确定，E-取消，F-移位）。（2）时钟芯片PCF8583检测：首先初始化始终芯片为2003年12月31日，24时59分55秒。启动时钟并显示，直至时间显示为2004年1月1日，0时0分5秒。随后数码管全灭，检测退出。（3）E2PROM芯片24C02数据区检测：显示DATATEST，检测开始。24C02有256个字节的E2PROM，程序依次对每个字节读出保存数据。写入0，读出核对，如正确再写入0FFH，读出核对。核对无误把原数据恢复。若在检测过程中发现数据核对有误则显示出错（ERROR），并把该出错数据区地址显示出来。至此系统自检结束。

系统初始化包括定时/计数器T0，时钟时间表，串口相关硬件以及看门狗X5045初始化。（1）定时/计数器T0初始化：定时/计数器T0在该系统中作为监控程序的载体，其初始值须多方面考虑。设定为定时器，定时50ms，采用方式1（16位定时/计数器）。因单片机所用晶振为12MHz，故初值X可用如下公式计算：

50ms＝（65536-X）结果X=15536

定时器T0的初始化程序如下：

MOVTMOD，#21H；设置定时器T0方式1

MOVTH0，#HIGH（15536）；填定时器初值高字节

MOVTL0，#LOW（15536）；填定时器初值低字节

SETBTR0；开定时器T0

SETBET0；允许T0中断

SETBEA；总中断允许

（2）时钟时间表的初始化：时钟芯片PCF8583的设置在本系统中需要对其内部9个寄存器进行初始化：控制状态寄存器（00H），计数寄存器百分之一秒单元（01H），秒单元（02H），分单元（03H），时单元（04H），年/日期单元（05H），星期和月份单元（06H），时钟起闹控制寄存器（08H），起闹定时器（0FH）。其中控制状态寄存器设置为32.768K计数方式。（3）串口初始化：包括波特率设置、串口方式设置和硬件MAX485设置。为了通信的稳定性与正确性，串口方式设置为方式3（9位通用异步接收器/发送器），即对串口控制寄存器SCON设值为0D0H。波特率设置方式为方式2（具有自动重装初值的8位定时/计数器），用定时/计数器T1作为波特率发生器。设置波特率为2400。其计算公式如下：

波特率=得定时器初值X=230（即0E6H）

MAX485设置：因MAX485为半双工方式，所以它的发送/接收需要对引脚/RE、DE按要求进行置位/复位设置。

（3）看门狗初始化：本系统使用了硬件看门狗X5045，考虑程序的运行时间选择了600ms的复位时间。

程序为：MOVA,#10H；X5045方式,看门狗600mLCALLWRSR写入

系统初始化结束后，主程序进入节电等待方式。该方式下，送往CPU的时钟信号被封锁，CPU进入等待状态，此时堆栈指针SP、程序计数器PC、程序状态字PSW、累加器A的状态均保持不变，I/O引脚保持以前的状态。等待方式可由中断或复位来退出。在本系统中主要是由定时中断T0来唤醒，之后进入监控循环。

3.1.2定时中断监控程序设计

定时中断服务程序是本系统程序的核心，由填定时器初值、喂狗模块，时间标志位、出错状态判断模块，键盘处理模块，显示闪烁判断及显示等模块构成。流程图如图6所示。状态0——初始状态，正常显示时钟；状态1——修改时钟状态；状态2——修改时间表状态；状态3——通信检测状态

（1）填定时器初值喂狗模块：主要为监控循环正常运行而设置，看门狗定时器复位使其继续监控系统运行。

（2）时间标志位、出错状态判断模块：为以下程序运行中的一些时间要求而设置。包含1/2秒标志和1秒标志；出错状态判断模块是为显示定时间（1s）的出错信息而设置，包含时钟输入出错和时间表改动出错两种出错状态。

（3）键盘处理模块：它是监控程序的主要组成部分，负责扫描键盘，解释按键和调度执行模块。

（4）闪烁判断及显示模块：按照硬件设计，本系统的显示为静态模拟串口显示。显示不需要定时刷新，所以在键盘处理后对是否显示及是否闪烁要进行判断，以便进入正确的显示模块。设置了两个标志位：显示标志DISPF和闪烁标志FLAHF。显示判断模块流程可参照图7。若有闪烁位则该位由显示1/4秒，灭1/4秒来造成闪烁效果。

3.1.3其他应用子程序设计

本系统中的应用子程序包括键盘扫描子程序、显示子程序、状态获得子程序、串口中断子程序、延时子程序以及I2C总线和SPI总线的两个通用软件包。部分子程序在上面已做过介绍了，下面只对串口中断子程序、延时子程序和两种总线的通用软件包做说明。

（1）串口中断子程序：在本系统的通信中应用的是RS485串口通信，对于硬件可参照硬件设计的通信部分。因为该通信简单不存在大量数据的通信，所以通信协议是自行定义的。格式有两种：通常状态下，通信为两个字节，首字节为地址（广播地址0），尾字节为响铃类型，该通信不需要从机回应。检测状态下，通信为一个字节，包括广播检测和单机检测。广播检测地址为0FFH，单机地址为某从机号（01-99）。当从机接收到0FFH或本机号时响铃（类型0），否则不做任何响应。接收到本机号时要向主机发送回应，主机接到回应表示该从机运行正常。串口中断子程序只是通常状态下调用的，主要是为了发送响铃类型而设置的。

（2）延时子程序：本系统中设置了一个比较精确的1ms延时程序，其他延时程序都是在此基础上调用多次实现的：

经计算可知该程序执行用993个机器周期，当采用12MHz的晶振，1个机器周期=1μs，则执行该程序要993μs，与1ms比较存在7μs误差。

（3）I2C总线和SPI总线通用软件包：本系统硬件设计中使用了两个I2C总线器件：时钟芯片PCF8583和E2PROM24C02，地址分配为PCF8583—0A0H/0A1H，24C02—0A2H/0A3H。本系统I2C模拟通用软件包由信号模拟子程序STA、STOP、MACK、MNACK和通用子程序CACK、WRBYT、RDBYT、WRNBYT、RDNBYT共九个子程序组成。可以设置在程序存储器的任何空间，占用的资源有R0(18H)、R1(19H)、F0、C。通用软件包中的符号单元有：MTD—发送缓冲区首址，MRD—接收缓冲区首址，SLA—寻址字节（SLAW／R）存放单元，NUMBYT—传送字节数n存放单元。本系统通用软件包适用于以80C51系列为主控器的I2C总线应用系统，主控时钟频率为12MHz。如果时钟频率改变则应适当修改信号模拟子程序中的定时要求。通用软件包中直接与应用程序编写有关的子程序为WRNBYT和RDNBYT。相应的I2C总线读写指令为：

4.2.1主程序设计

本铃声控制系统的从机软件设计，主要包含有主程序（自检程序和初始化程序）、定时中断服务程序及若干子程序设计。由于从机外围硬件电路很少，故上电复位后，省去对外围器件的检测，立即进入正常的初始化。从机完成的主要功能是对主机发送命令能够及时准确的接收并响应，所以初始化主要是串行口的设置。具体流程见图8。串口通信要求通信双方必须有相同的波特率，系统中设置波特率为2400，为了保证通信的稳定性与正确性，设置为方式3（9位通用异步接收器/发送器），即对串口控制寄存器SCON设值为0D0H。初始化结束后，主程序即刻进入空闲模式：

AT89C2051进入等待模式，直到接收到主机命令。

4.2.2串口中断子程序

为了让通信更加稳定，我们制定了自己的通信协议：把通信状态分为两种：正常通信状态和检测通信状态。正常通信状态主要完成定时通信打铃的功能，命令格式为两个字节，第一字节为广播地址：0；另一字节为响铃类型。检测通信状态主要完成对从机的通信检测，分为广播检测和单机检测。命令格式是一个字节为地址字节，其中广播检测地址为0，单机检测地址为该从机号01-99。串行口中断请求由接收所引起。串行接口接收到了一帧信息，便由硬件置RI=1，在CPU允许中断请求的情况下，向CPU申请中断，中断响应后，必须由软件清楚RI。故在串行口中断子程序开始，首先清除RI，然后由特殊功能寄存器SBUF读取数据。如上流程图示。读取数据后，首先进行数据的校验，由于采用的是串行口工作方式3，所以将SCON中的位RB8作为一次校验，同时也取PSW中的奇偶校验位P进行二次校验，最大可能的保证接收数据的正确性。校验程序段如下：

当数据校验正确时，进入正常响应阶段。按照通信协议的约定，串口中断子程序对命令进行解释并按命令执行相应的操作。详细命令解释判断见图9。各标志判断结束后，系统进入响铃控制流程。按照要求，响铃时间为10秒，系统中取定时器T0，配合一个记数单元构成10秒的延时。不同时刻要求响铃类型不同，在实际设计过程中，利用T0的中断速率来控制产生声音的脉冲频率，通过一个音频放大器做简单的功率放大后产生不同的声音（见从机硬件部分）。

程序中T0的初值TH、TL0用于频率的控制，利用两个中间单元DPH、DPL，不同的响铃类型只需把需要的初值提前放置到DPH、DPL中，调用设置T0的以上子程序即可。

5结束语

在整个设计过程中，无论硬件还是软件，始终以模块化设计为指导思想，对整个系统细化，分成多个小模块，保证每部分都能够独立、可靠的工作，然后把精力集中放在对各模块之间的无缝接口上。最终采用TKS-58仿真器来完成了整个系统的调试。